詳解3D列印技術在航空發動機維修中的應用

原標題:詳解3D列印技術在航空發動機維修中的應用

科技媒體3D列印網訊 增材製造技術最重要的應用首推航空航天領域。美國「增材製造路線圖」把航空航天需求作為增材製造的第一位工業應用目標，波音、GE、霍尼韋爾、洛克希德·馬丁等美國著名航空航天企業都是美國增材製造創新研究所（NAMII）的成員單位。我們一直在關注3D列印在航空發動機製造上的應用，卻忽視了3D列印技術在解決航空發動維修 的零備件採購、提升再製造能力、戰場應急搶修中發揮的重要的作用，接下來我們具體分析，航空發動機零部件3D列印技術體系及其在高壓渦輪葉片維修中的應用。

1 3D列印技術在航空發動機維修中的作用

1.1 3D列印技術解決航空發動機維修中零備件採購

難題 3D列印技術已經得到了國外航空公司的廣泛關注，3D列印的航空發動機零部件不斷湧現（見表1）。據報道，西門子公司已於2014年成為全球工業製造業第1個在金屬零部件實際生產中應用3D列印製造技術的公司。 在發動機使用維護過程中，特別是進口發動機，到壽件、易損件、必換件等零部件是航空發動機維修企業最棘手的難題。

3D列印發動機零部件的出現解決了發 動機維修所需備件的採購難題。通過掌握3D列印技術，製造出所需要的零備件，使原本採用傳統方法短時間內無法滿足設備、工藝等基礎條件的航空發動機維修企業也具備了零部件製造能力。對於小批量需求的航空發動機維修企業來說，3D列印既節約了製造成本，又縮短了維修周期。

1.2 3D列印技術提升航空發動機維修中零部件再製造能力

航空發動機關鍵核心部件在工作中損傷報廢嚴重、報廢量大、損傷模式複雜，成為制約發動機維修周期和成本的主要因素，如燒蝕、裂紋、異物打傷等[1]，因此，壓氣機葉片、渦輪葉片等航空發動機關鍵核心部件的再製造技術是歐美髮達國家嚴密封鎖的關鍵核心技術。3D列印為再製造提供了個性化、高效率的實現手段，是歐美髮達國家首選的航空發動機零部件再製造技術。3D列印技術作為航空發動機零部件再製造的重要技術手段，是目前國內外前沿研究技術和應用領域之一。

1.3 3D列印技術給戰場裝備應急搶修帶來變革

3D列印技術特別適用於發動機戰場裝備應急維修保障，將給裝備保障帶來革命性的變化。主要體現在2個方面：

一是通過3D列印技術可以在戰場及時製造毀損部件。在未來信息化高技術戰爭中，戰場上如果需要更換毀損部件，採用3D列印設備直接在戰場把所需要的部件製造出來，裝配后重新投入戰場，避免出現裝備某個零部件出現故障卻無法維修的窘境，從而使遭到毀傷的武器裝備得到再生。可以預見，代表製造業發展新趨勢的3D列印技術，是未來顛覆傳統的裝備技術維修保障手段。

二是3D列印技術可以減輕後勤保障壓力。與裝備生產的傳統工藝模式不同，3D列印技術集概念設計、技術驗證與生產製造於一體，將極大地縮小裝備從「概念」到「定形」的時間差，從而加快裝備的更新周期，實現隨時、隨地、按需生產。

2 3D列印技術分類及特點

適用於航空發動機金屬零部件的3D列印技術主要有5類（見表2），可分別應用於航空發動機維修過程中零部件的製造和再製造，其中用於再製造的主要有激光凈成形、電子束熔絲沉積、等離子束熔絲沉積和等離子束粉末沉積。這些技術對應著專用的設備、原材料和工藝。 航空發動機維修中的零部件3D列印再製造融合了3D列印技術和再製造技術，成都航利（集團）實業有限公司率先提出了3D列印再製造的概念，航空發動機零部件3D列印再製造是指將3D列印技術作為重要手段的再製造。由於3D列印再製造在前處理過程中主要包括了再製造的前處理技術，比如塗層去除技術、清洗技術等，因此整個過程比3D列印製造更為複雜。

航空發動機零部件3D列印製造技術除了不包括再製造前處理技術以外，其餘都是和3D列印再製造是相同的技術。從圖1中可以看出，航空發動機零部件3D列印技術與一般普通金屬產品相比，性能考核技術複雜、考核周期長，這些都增加了3D列印技術在航空發動機維修中的應用難度。

3 3D列印再製造技術在高壓渦輪葉片維修中的應用

某型航空發動高壓渦輪工作葉片採用定向凝固鎳基高溫合金精密鑄造而成。1個大修周期后高壓渦輪工作葉片在工作中葉尖磨損嚴重，部分葉尖已磨損至凸台，平均磨損量為0.6~0.7mm，43%的葉片已磨損至凸台。高壓渦輪工作葉片在工作中與之配合的是外環上採用等離子噴塗製備的具有3層結構的NiCrAlY封嚴塗層。由於在NiCrAlY封嚴塗層的底層和中間層添加高溫抗氧化釺料進行真空熱處理，同時在面層中添加提高孔隙率的聚苯脂，具有較好的可磨耗性，但是該塗層硬度高（HR45Y=55~75），因此，在工作中渦輪葉片葉尖易被封嚴塗層磨損。

分析表明，高壓渦輪工作葉片葉尖主要是由於氧化和燃氣腐蝕加劇了磨損。葉片為定向凝固組織，常規的氬弧焊、釺焊等技術難以實現定向組織修復。針對葉尖磨損故障和複雜型面的特點，採用激光凈成形技術（LENS）對高壓渦輪葉片進行3D列印再製造，再製造后的葉片接長組織呈定向晶，經過長期試車考核后滿足航空發動機一個大修周期要求。

隨著金屬產品3D列印技術的不斷成熟和航空發動機零部件3D列印技術體系的不斷發展，3D列印技術將在解決航空發動機維修中的零備件採購難題、提升航空發動機零部件再製造能力、戰場應急搶修等方面發揮著不可替代的作用。